地面大氣電場儀在一次雷暴天氣過程中的預(yù)警應(yīng)用分析

李衛(wèi)平，許偉，任照環(huán)，何靜

摘要 雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)是雷電災(zāi)害防御工作的重要環(huán)節(jié)。采用“閾值+過限計數(shù)”的預(yù)警算法，結(jié)合ADTD定位數(shù)據(jù)和SWAN拼圖產(chǎn)品，分析了大氣電場儀在一次典型雷暴天氣過程中的預(yù)警效果。根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的大小，大氣電場儀發(fā)出預(yù)警提前時間分別為10 min和50 min，但橙色和紅色預(yù)警信號均出現(xiàn)滯后。針對探頭解除預(yù)警過早的問題，可設(shè)置預(yù)警駐留時間，綜合采用“服務(wù)端算法”+“探頭算法”相結(jié)合的方法予以進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞 大氣電場;雷暴;預(yù)警應(yīng)用;對比分析

中圖分類號：S161 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）03–0106–04

重慶屬東亞內(nèi)陸季風(fēng)區(qū)，冬季受東北季風(fēng)控制，夏季受西南季風(fēng)影響，加之盆地周圍山脈阻擋，地形起伏，植被分布不均，形成了獨(dú)特的氣候特點。同時，重慶是雷暴活動較為頻繁的地區(qū)之一，重慶市雷電監(jiān)測網(wǎng)在2008—2021年年均監(jiān)測地閃接近20萬次，年均雷電密度2.43次/（km2·a）。中心城區(qū)、渝東北大部、渝東南大部地區(qū)雷電日數(shù)高值區(qū)年雷電日數(shù)為40～50 d。據(jù)統(tǒng)計，2000年以來，重慶市有記錄的雷電災(zāi)害共548起，平均每年25起;因雷擊受傷184人，死亡121人，雷電極大地危害著人們的生命和財產(chǎn)安全。做好雷電監(jiān)測預(yù)警服務(wù)是雷電災(zāi)害防御工作的重要環(huán)節(jié)，但雷電在時空分布上具有瞬時、隨機(jī)等特點，導(dǎo)致準(zhǔn)確預(yù)報預(yù)警雷電存在較大的難度。提升雷電預(yù)報預(yù)警水平是現(xiàn)階段科研工作的難點。

雷雨云內(nèi)電荷積累導(dǎo)致地面電場強(qiáng)度發(fā)生變化，雷電發(fā)生時大量電荷在云-空-地間轉(zhuǎn)移，也導(dǎo)致地面電場強(qiáng)度發(fā)生跳變甚至正負(fù)反轉(zhuǎn)。因此，可以通過電場的變化情況來反演雷雨云中的電場變化，從而了解周圍地區(qū)雷暴活動的初始、發(fā)展、成熟、消亡等階段情況，對雷電的預(yù)警預(yù)報有一定的指示作用。

1 資料與方法

1.1 資料

地面電場強(qiáng)度測量方法很多，目前使用最廣泛、兼顧測量精度與性能穩(wěn)定的主要是場磨式大氣電場儀，其基本原理為：電機(jī)帶動轉(zhuǎn)子（接地屏蔽片）旋轉(zhuǎn)，使定子（感應(yīng)片）交替暴露在電場中或被屏蔽，從而產(chǎn)生與外界電場強(qiáng)度呈正比的感應(yīng)電荷，感應(yīng)片連接到放大處理電路及波形調(diào)整電路，輸出電壓信號，經(jīng)過標(biāo)定，該電壓可以表征大氣電場的強(qiáng)度和極性變化。

利用重慶市防雷中心安裝在重慶市金佛山雷電觀測站的Pre-storm 2.0型大氣電場儀在2021年4—10月獲取的大氣電場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警案例分析，該電場儀利用內(nèi)置在探頭內(nèi)的算法電路和軟件配合，可以在雷擊發(fā)生前5～30 min發(fā)出預(yù)警信號，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

閃電定位資料來源于重慶市雷電監(jiān)測網(wǎng)，由閃電定位儀、中心數(shù)據(jù)處理站、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及圖形顯示終端組成，包括1個主站（沙坪壩），4個子站（酉陽、城口、云陽、石柱），且與四川、陜西、湖北、貴州等省鄰近區(qū)域的雷電監(jiān)測站點聯(lián)網(wǎng)。ADTD各子站探測范圍250 km，實現(xiàn)對地閃時間、位置（經(jīng)度、緯度）、雷電流峰值和極性進(jìn)行自動監(jiān)測，探測效率85%以上，網(wǎng)內(nèi)探測定位精度小于300 m，閃電回?fù)舻奶幚頃r間在1 ms左右。以金佛山雷電觀測場為圓心，將半徑10 km范圍區(qū)域設(shè)定為目標(biāo)區(qū)域，統(tǒng)計8月8日21：00～9日02：00半徑35 km范圍內(nèi)共計581條ADTD閃電定位數(shù)據(jù)，并與大氣電場場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合對比。SWAN拼圖產(chǎn)品來源于重慶市氣象局，選取8月8日21：00～9日02：00重慶氣象探測數(shù)據(jù)GIS查詢平臺組合反射率51/51數(shù)據(jù)。SWAN拼圖產(chǎn)品用于區(qū)分層狀云降水和對流性降水，對ADTD閃電定位資料進(jìn)一步驗證，與大氣電場場強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

1.2 方法

李慶申等[2]基于電場閾值和電場變化率作為預(yù)警判斷條件，融合電場正負(fù)轉(zhuǎn)換對大氣電場儀預(yù)警方法進(jìn)行了研究;劉邕等[3]對雷電臨近期大氣電場的頻譜特征進(jìn)行了分析，對雷電預(yù)報預(yù)警具有指示意義;強(qiáng)玉華等[4]對雷暴天氣和其他天氣過程的大氣電場差分幅值進(jìn)行了統(tǒng)計對比分析，得出雷暴天氣大氣電場差分幅值較降雨、降雪天氣要大。

單一的門檻閾值預(yù)警不能排除人為干擾或大風(fēng)、降雨、沙塵暴等對大氣電場儀的干擾，容易導(dǎo)致虛警的問題。本研究采用在觀察窗口內(nèi)大氣電場數(shù)據(jù)“閾值+過限計數(shù)”的方法作為判斷預(yù)警觸發(fā)、解除、降級的依據(jù)。具體預(yù)警算法描述：設(shè)定1個觀察窗口T（計數(shù)周期），大小為300 s，此觀察窗口與時間同步向右滾動;設(shè)定3個門檻閾值Et1、Et2、Et3，分別為2 kV/m、4 kV/m、6 kV/m;設(shè)定3個計數(shù)器分別為N1、N2、N3。

預(yù)警觸發(fā)條件：對窗口內(nèi)實測數(shù)列Ec和門檻閾值進(jìn)行比較，當(dāng)Ec（t）大于相應(yīng)門檻閾值時，對應(yīng)的計數(shù)器加1，直至計數(shù)器大于16時，觸發(fā)預(yù)警。

預(yù)警解除條件：在觀察窗口內(nèi)未出現(xiàn)任何1個大于6 kV/m的值，3級解除，未出現(xiàn)任何1個大于4 kV/m的值，2級解除，未出現(xiàn)任何1個大于2 kV/m的值，1級解除;如在觀察窗口內(nèi)t時刻出現(xiàn)高于某門檻閾值的實測值，則對應(yīng)預(yù)警級別不能解除，且該級預(yù)警對應(yīng)的觀察窗口最左端平移至t時刻。

預(yù)警降級條件：當(dāng)預(yù)警級別在t時刻升為3級時，觀察窗口最左端平移至t時刻，并對窗口內(nèi)實測數(shù)列Ec和門檻閾值進(jìn)行比較，如沒有大于6 kV/m但有大于4 kV/m的值，則預(yù)警

降為2級，以此類推。以下對預(yù)警的描述參照慣例，將1、2、3級預(yù)警分別稱為黃、橙、紅色預(yù)警。算法流程圖見圖1、圖2。

圖1 預(yù)警觸發(fā)流程圖

圖2 預(yù)警解除流程圖

大氣電場儀的安裝環(huán)境如周邊建筑物、地面物體等會造成大氣電場的畸變，在實際使用中應(yīng)修正測量值。利用有限差分方法計算地面建筑物對大氣電場畸變的影響，得到安裝環(huán)境對觀測結(jié)果造成影響的修正系數(shù)k。測量結(jié)果E和地面大氣電場原始值E0之間的關(guān)系為。金佛山雷電觀測站大氣電場儀安裝在觀測場外圍地面，周邊無建筑物遮擋、測場儀器距離電場儀較遠(yuǎn)，可以認(rèn)為不需要進(jìn)行k值修正，即k=1。

對ADTD不確定數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除的方法參照曾金全等[5]的處理方法，即樣本中的閃電強(qiáng)度I較小者可能是因觀測水平限制存在的誤差，有著不確定性。部分學(xué)者認(rèn)為可能是云閃或有其不合理之處。

本研究假定閃電強(qiáng)度I遵循對數(shù)正態(tài)分布，即lnI～N（μ，σ2），對樣本中P（I）值較小的閃電，可以認(rèn)為是小概率事件，本研究針對一些關(guān)鍵事件，如目標(biāo)區(qū)域首次閃電、預(yù)警等級轉(zhuǎn)換時刻閃電，結(jié)合I值大小對其真實性進(jìn)行了合理懷疑。其分布函數(shù)和概率計算如下：

張勇等[6]在對SWAN雷達(dá)拼圖產(chǎn)

品對流云降水識別和效果檢驗中指出，小于25 dBZ的是層狀云降水回波;大于45 dBZ的一般被認(rèn)為是對流性降水回波，具有回波強(qiáng)度大、回波密實、回波發(fā)展高度較高、水平梯度較大、更容易產(chǎn)生雷電等特點;介于25～45 dBZ為混合性降水回波，在較均勻的層狀云降水回波中鑲嵌有較強(qiáng)的對流性回波?；诖私Y(jié)論，對目標(biāo)區(qū)域的雷達(dá)回波進(jìn)行時序?qū)Ρ?，可從另一個角度驗證雷暴活動發(fā)展和探頭預(yù)警情況。

2 對比分析

目標(biāo)區(qū)域（TA）為重慶市南川區(qū)金佛山雷電觀測站，監(jiān)測區(qū)域（MA）為半徑10 km的圓形區(qū)域，周邊區(qū)域（SA）為半徑10 km的環(huán)形區(qū)域。圖3詳細(xì)描述了2021年8月8日21：00～8月9日02：00時段內(nèi)重慶市金佛山雷電觀測站的大氣電場數(shù)據(jù)及其與閃電定位數(shù)據(jù)融合對比的驗證結(jié)果。對比結(jié)果顯示（圖4～圖7），本次雷暴天氣過程呈現(xiàn)以下4個階段（以目標(biāo)區(qū)域為主，不涉及對更大尺度天氣過程的討論）。

圖3 大氣電場場強(qiáng)與閃電定位數(shù)據(jù)融合分析圖

第一階段：8月8日21：00～21：30，大氣電場逐步負(fù)向增強(qiáng)，由-0.5 kV/m增加至-2.0 kV/m，21：24開始曲線出現(xiàn)多次尖峰跳變，目標(biāo)區(qū)域南側(cè)出現(xiàn)多次閃電。同時，電場儀探頭發(fā)出第一次黃色預(yù)警（圖4）。從SWAN拼圖來看，目標(biāo)區(qū)域西北、東南方向雷達(dá)回波較強(qiáng)，部分區(qū)域達(dá)到45 dBZ以上，與ADTD閃電定位數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致（圖7a）。

圖4 首次黃色預(yù)警時目標(biāo)區(qū)域情況及大氣電場曲線

第二階段：21：31～22：29。在此階段，

地面大氣電場場強(qiáng)出現(xiàn)“負(fù)-正-負(fù)”

連續(xù)倒轉(zhuǎn)，并負(fù)向快速增加，22：20～ 22：29從-2.0 kV/m增加至-5.0 kV/m。

21：34目標(biāo)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)首次雷擊（強(qiáng)度-25.2，陡度-5.1），預(yù)警提前時間為10 min。在此階段目標(biāo)區(qū)域共發(fā)生3次閃電，周邊區(qū)域發(fā)生16次閃電。22：29電場儀探頭發(fā)出橙色預(yù)警（圖5）。隨著對流天氣過程發(fā)展，雷暴強(qiáng)回波中心迅速由西向東發(fā)展，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)雷達(dá)回波逐步增強(qiáng)，22：29目標(biāo)區(qū)域北部已達(dá)到40 dBZ（圖7b、圖7c）。

第三階段：22：30～9日00：21，大氣

電場場強(qiáng)曲線表現(xiàn)為急速“負(fù)—正”倒轉(zhuǎn)并伴有部分尖峰跳變，電場儀探頭于22：34發(fā)出紅色預(yù)警，隨后出現(xiàn)大量尖峰跳變，在場強(qiáng)曲線上表現(xiàn)為針狀脈沖，場強(qiáng)極值出現(xiàn)在23：43，為44.02 kV/m（圖6）。此階段目標(biāo)區(qū)域共發(fā)生14次閃電（其中4次為正極性），周邊區(qū)域共發(fā)生閃電50次。從SWAN拼圖來看，雷暴強(qiáng)回波中心進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域，大部分地區(qū)雷達(dá)回波在40 dBZ以上，部分地區(qū)雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)到45 dBZ（圖7d、圖7e）。

第四階段：9日00：22～02：00，大氣電場儀探頭解除紅色預(yù)警，場強(qiáng)變化曲線趨于平緩，圍繞0 kV/m上下波動，隨著場強(qiáng)負(fù)向增加過程中，依次發(fā)出黃色和橙色預(yù)警，但此階段，目標(biāo)區(qū)域及周邊區(qū)域均無閃電發(fā)生，僅在區(qū)域外圍發(fā)生少量閃電。電場儀探頭由00：56開始，逐步發(fā)出預(yù)警降級直至01：22解除所有預(yù)警，即經(jīng)歷了“橙色預(yù)警—黃色預(yù)警—無預(yù)警”的過程。從SWAN拼圖來看，雷達(dá)回波逐步減弱，至01：06部分地區(qū)已在20 dBZ以下（圖7f）。

結(jié)合SWAN拼圖產(chǎn)品和ADTD定位數(shù)據(jù)的分析，以上4個階段基本上對應(yīng)了目標(biāo)區(qū)域雷暴活動的“生成、發(fā)展、成熟、消亡”階段。按照“閾值+過限計數(shù)”算法，大氣電場儀探頭提前10 min發(fā)出了黃色預(yù)警，如將目標(biāo)區(qū)域設(shè)定為5 km范圍，則預(yù)警提前時間為50 min，說明此算法在本次雷暴過程中有效。同時應(yīng)注意到，雖然橙色、紅色預(yù)警持續(xù)時間和雷暴發(fā)展、成熟期較為吻合，但橙色預(yù)警和紅色預(yù)警發(fā)出較為滯后，應(yīng)在算法中進(jìn)一步優(yōu)化。值得注意的是：21：56～22：22共24 min、00：21～00：26共5 min，電場曲線在0值附近波動較為平緩，探頭發(fā)出解除預(yù)警信號，致使這2個時間段均呈現(xiàn)為無預(yù)警狀態(tài)。但結(jié)合SWAN拼圖產(chǎn)品和閃電定位數(shù)據(jù)，附近仍有新的雷雨云靠近，閃電位置只是暫時遠(yuǎn)離目標(biāo)區(qū)域，說明探頭過早發(fā)出了預(yù)警解除信號，可能會誤判后續(xù)雷暴活動的發(fā)展。解決此問題的辦法可作如下考慮：根據(jù)SWAN拼圖和閃電定位數(shù)據(jù)預(yù)判雷暴活動情況，從而在服務(wù)器軟件算法里設(shè)置駐留時間（TTC），在駐留時間內(nèi)，預(yù)警信號可以降級但不能解除（至少為黃色預(yù)警），TTC的大小應(yīng)根據(jù)預(yù)判情況設(shè)置為10～30 min，雷電預(yù)警信號最終由服務(wù)端軟件給出。本次雷電預(yù)警過程描述見表2、表3。

3 結(jié)論

（1）針對目標(biāo)區(qū)域，地面大氣電場儀使用“閾值+過限計數(shù)”的預(yù)警算法，在本次雷暴前10 min發(fā)出了黃色預(yù)警信號，發(fā)揮了相應(yīng)的雷暴預(yù)警功能。例如，將目標(biāo)區(qū)域限定在5 km范圍內(nèi)，則預(yù)警提前時間為50 min。但橙色和紅色預(yù)警信號均滯后發(fā)出，這與本次雷暴過程第二階段中電場正負(fù)轉(zhuǎn)換時場強(qiáng)過限計數(shù)不足有關(guān)，因此，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化算法。

（2）在雷暴活動發(fā)展的過程中，由于大氣電場場強(qiáng)正負(fù)倒轉(zhuǎn)時曲線趨于平緩或新的雷雨云生成逐步靠近目標(biāo)區(qū)域時，探頭出現(xiàn)了解除預(yù)警過早的問題，可在服務(wù)器端預(yù)警策略中設(shè)置10～30 min的預(yù)警駐留時間，綜合采用“服務(wù)端算法”+“探頭算法”相結(jié)合予以進(jìn)一步優(yōu)化。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Application Analysis of Ground Atmospheric Electric Field Instrument in Early Warning of a Thunderstorm

LI Weiping et al（Chongqing Lightning Protection Center， Chongqing 401120）

Abstract Lightning monitoring and early warning service is an important part of lightning disaster prevention. This paper analyzed the early warning effect of electric field meter in a typical thunderstorm by using the warning algorithm of “threshold & limit counting”， combined with ADTD positioning data and SWAN puzzle products， the warning time of the electric field meter is 10 minutes and 50 minutes respectively according to the target area size，However， both orange and red warning signals are delayed. For the problem of premature releasing of warning signals， the combination of “server algorithm”&“probe algorithm” can be used for further optimizing by setting warning dwell time.

Key words Atmospheric electric field; Thunderstorm; Early warning application; Contrastive analysis